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LHS 1140 b

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목차

1. 개요

LHS 1140 b는 적색 왜성 LHS 1140을 공전하는 외계 행성이다. 질량과 반지름이 모두 알려진 몇 안 되는 잠재적 거주 가능 외계 행성 중 하나로, 지구 질량의 5.6배, 반지름은 지구의 1.73배이다. 궤도 주기는 24.7일이며, LHS 1140 별이 어둡기 때문에 받는 복사 플럭스는 지구의 0.43배이다. 2023년 연구를 통해 해양 행성 또는 밀도가 높은 미니 해왕성일 가능성이 제기되었으며, 대기 조성을 분석한 결과 수소는 없으며, 질소, 수증기, 이산화 탄소로 구성될 가능성이 있는 것으로 나타났다. LHS 1140 b는 생물권 바깥쪽에 위치하지만, 두꺼운 대기나 내부 열원 존재 시 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 있다.

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LHS 1140 b
기본 정보
슈퍼지구 외계행성 LHS 1140 b의 상상도
행성 LHS 1140 b와 모항성의 상상도
발견
발견MEarth Project
발견일2017년 4월 20일 (발표)
발견 방법통과
궤도 특성
궤도 긴반지름0.0946 ± 0.0017 AU
궤도 이심률<0.043
공전 주기24.7369148 ± 0.0000058 일
궤도 경사89.86 ± 0.04 °
모항성LHS 1140
물리적 특성
평균 반지름1.730 ± 0.025 지구 반지름
질량5.60 ± 0.19 지구 질량
밀도5.9 ± 0.3 g/cm3
표면 중력천문학적
단일 온도226 ± 4 K (, 평형)

2. 모항성

LHS 1140 b는 작은 적색 왜성인 LHS 1140 주위를 공전한다. 이 별의 질량은 태양 질량의 18.4%이고, 반지름은 태양 반지름의 21.6%이며, 분광형은 M4.5V이다. LHS 1140의 표면 온도는 3,096,000이며, 밝기(광도)는 태양 광도의 0.0038배에 불과하다. 나이는 최소 50억 년 이상 된 것으로 추정된다. 참고로, 태양은 질량과 반지름이 각각 1 태양 질량, 1 태양 반지름이고, 표면 온도는 5,778,000, 밝기는 1 태양 광도이며, 나이는 약 45억 년, 분광형은 G2V이다. 또한, LHS 1140은 활동성이 매우 낮은 별로, 행성을 발견한 연구팀은 이 별에서 큰 플레어 현상을 관측하지 못했다. 비슷한 크기의 다른 별들과 달리 활동성이 낮으며, 약 130일을 주기로 자전한다.

3. 물리적 특성

LHS 1140 b는 시선 속도법과 통과 측광법을 이용하여 발견되었으며, 이 덕분에 질량과 반지름이 모두 측정된 몇 안 되는 잠재적 거주 가능 외계 행성 중 하나이다. 다른 예로는 TRAPPIST-1 주변의 행성들이 있다.

초기 연구에서는 이 행성이 매우 높은 밀도(약 12.5 g/cm³)를 가진 지구형 행성일 것으로 추정되었다. 그러나 이후 여러 연구를 통해 반지름 값이 수정되면서 밀도 추정치도 낮아졌고, 2020년 연구에서는 밀도를 약 7.82 (+0.98/-0.88) g/cm³로 계산하며 행성 질량의 약 4%가 물로 이루어진 해양 행성일 가능성을 제기했다.

가장 최근인 2023년 연구에서는 질량을 지구 질량의 5.60 ± 0.19 배, 반지름을 지구 반지름의 1.730 ± 0.025 배로 더욱 정밀하게 측정했다. 이 결과에 따르면 LHS 1140 b의 밀도는 이전에 생각했던 것보다 낮으며, 크기를 고려할 때 암석형 행성보다는 질량의 9~19%가 물로 이루어진 해양 행성이거나, 밀도가 높은 미니 해왕성일 가능성이 더 높다. JWST 관측 결과는 수소가 풍부한 대기의 존재 가능성을 배제하여 해양 행성 시나리오를 뒷받침한다.

LHS 1140 b는 항성 LHS 1140 주위를 약 24.737일에 한 번 공전하며, 궤도 긴반지름은 약 0.0946 천문단위이다. 이는 지구와 태양 사이 거리의 약 9.5%에 해당한다. 항성과의 거리는 가깝지만, LHS 1140 자체가 매우 어두운 적색왜성이기 때문에 행성이 받는 복사선속은 지구의 약 43% 수준에 불과하다. 알베도를 0으로 가정할 때 행성 평형 온도는 약 230,000로 추정되며, 이는 지구의 255,000보다 낮다. 만약 온실 효과가 존재한다면 표면 온도는 이보다 더 높을 수 있다. 행성의 궤도는 상당히 원형에 가까우며, 이는 항성의 기조력보다는 형성 초기부터 원형이었을 가능성을 시사한다.

3. 1. 질량과 반지름

LHS 1140 b는 시선 속도법 (동반 천체의 질량을 측정하는 방법)과 통과 측광법 (행성의 반지름을 결정하는 방법)을 사용하여 발견되었다. 이 덕분에 LHS 1140 b는 질량과 반지름이 모두 측정된 몇 안 되는 잠재적 거주 가능 외계 행성 중 하나이며, 다른 예로는 TRAPPIST-1 주변의 행성들이 있다.

2023년 연구에서는 LHS 1140 b의 질량과 반지름을 재평가했다. 이 연구에 따르면, 행성의 질량은 지구 질량의 5.60 ± 0.19 배이고, 반지름은 지구 반지름의 1.730 ± 0.025 배이다. 이는 약 11000km에 해당하는 크기로, 케플러-62e와 비슷한 반지름이다. 이 측정값은 이전 추정치보다 질량은 약간 작고 반지름은 더 크다. 이러한 결과는 LHS 1140 b가 암석으로 이루어진 지구형 행성이기보다는, 물이 풍부한 해양 행성이거나 밀도가 높은 가스층을 가진 미니 해왕성일 가능성이 높다는 것을 시사한다.

3. 2. 궤도와 온도

LHS 1140 b의 공전 주기는 24.737일로, 지구의 1년(365일)보다 훨씬 짧다. 궤도 긴반지름은 0.0946 천문단위로, 지구와 태양 사이 거리의 약 9.5%에 해당한다. 이 거리는 항성 LHS 1140에 꽤 가깝지만, 별 자체가 매우 어둡기 때문에 행성이 받는 복사선속은 지구의 0.43배에 불과하다. 알베도가 0이라고 가정할 때, LHS 1140 b의 행성평형온도는 230,000로, 지구의 255,000보다 낮다. 만약 LHS 1140 b의 알베도가 지구와 비슷하다면, 평형 온도는 201,000까지 낮아질 수 있다. 하지만 온실 효과가 지구만큼 강하다면, 알베도가 0일 경우 표면 온도는 266,000 이상이 될 수 있다. 행성의 질량이 크기 때문에 더 두꺼운 대기를 가지고 있을 가능성이 있으며, 이는 더 강력한 온실 효과를 유발할 수 있다.

적색왜성 주위의 다른 잠재적 생명체 거주가능 영역 행성들과 마찬가지로, LHS 1140 b의 궤도는 상당히 원형에 가깝다. 이심률은 90% 신뢰 수준에서 0.29 미만으로 측정되었다. 이러한 원형 궤도는 항성의 기조력만으로는 설명하기 어려우며, 행성 형성 초기부터 원형에 가까웠을 가능성이 제기된다.

3. 3. 구성 성분

초기에 이 행성은 12.5 g/cm³로 매우 높은 밀도를 가질 것으로 여겨졌다. 이는 암석형 행성에서 관측된 가장 높은 밀도 중 하나이며 지구 밀도의 두 배 이상으로, 철-니켈 핵이 행성 전체 질량의 75%를 차지하는 것으로 추정되었다.

이후 2018년과 2020년 연구에서는 행성의 반지름을 더 크게 측정하여 밀도를 7.82 g/cm³ (+0.98/-0.88 g/cm³)로 계산했다. 이는 여전히 암석형 구성과 일치하며, 핵 질량 비율은 49±7%로 낮아졌다. 비교하자면, 지구의 핵은 질량의 약 32.5%를 차지한다. 2020년 연구에서는 또한 행성 질량의 약 4%가 물로 구성되어 있으며, 평균 해양 깊이가 약 779km (±650km)에 달하는 해양 행성일 가능성을 시사했다.

2023년 연구에서는 행성의 질량과 반지름을 더욱 정밀하게 측정하여 질량이 지구의 약 5.6배로 기존 추정치보다 낮다는 것을 발견했다. 이에 따라 밀도 추정치도 낮아져, 행성의 크기를 고려할 때 더 이상 암석형 행성으로 보기 어려워졌다. LHS 1140 b는 질량의 9~19%가 물로 이루어진 해양 행성이거나, 밀도가 높은 미니 해왕성일 가능성이 높은 것으로 분석된다. JWST 관측 결과, 수소가 풍부한 대기가 없다는 사실이 밝혀지면서 해양 행성일 가능성에 무게가 실리고 있다.

3. 4. 대기

2020년 말 허블 우주 망원경 관측을 통해 LHS 1140 b 대기에서 수증기가 잠정적으로 감지되었으나, 신호 대 잡음비가 낮아 명확한 결론을 내리기는 어려웠다. 이후 2024년 발표된 제임스 웹 우주 망원경(JWST) 관측 결과는 수소가 풍부한 대기의 가능성을 배제하고, 대신 질소, 수증기, 이산화 탄소 등으로 구성된 평균 분자량이 높은 대기가 존재할 가능성을 시사했다.

2024년 7월에는 JWST가 대기 중에서 질소의 존재를 시사하는 잠정적인 징후를 추가로 감지했다. 이는 행성 표면이 대부분 얼음으로 덮여 있고 일부 지역에만 액체 상태의 물이 존재하는, 이른바 아이볼과 유사한 형태일 수 있음을 의미한다. 만약 이 질소 감지가 최종적으로 확인된다면, 이는 잠재적으로 생명체가 거주할 수 있는 외계 행성에서 2차 대기가 존재한다는 최초의 증거가 될 수 있다.[1]

4. 생명체 거주 가능성

LHS 1140 b는 생물권의 바깥쪽에 가깝게 공전하고 있는데, 이는 충분한 대기압이 주어졌을 때 공전하는 행성 표면에 액체 상태의 물이 고이기에 적절한 온도를 가진 별 주변의 영역이다.[2] LHS 1140 b의 평형 온도는 -43°C로, 지구의 극지방만큼 춥다. 그러나 이는 두꺼운 대기의 영향을 제외한 계산된 온도이다. 지구와 유사한 온실 효과를 가정하면 표면 온도는 약 -7°C가 되지만, 행성이 매우 거대하기 때문에 온실 효과는 훨씬 더 높을 수 있다. 지구의 두 배에 해당하는 온실 효과를 가진다면, LHS 1140 b는 23°C의 쾌적한 표면 온도를 가질 것이다. 또한, 모항성이 매우 활동적이지 않기 때문에 대기 침식은 그리 심하지 않을 것이며, 이는 행성이 장기간에 걸쳐 대기를 유지할 수 있음을 시사한다. 대기가 존재하지 않는다면, LHS 1140 b는 얇은 얼음 덮개로 덮여 있을 가능성이 높다.[3] 이 경우, 상당량의 액체 물이 얼음 층을 통과하여 물이 풍부한 간헐천의 극저온 화산 분출을 통해 표면으로 이동할 수 있도록 충분한 방사성 열 및 조석 가열을 받을 수 있다.[4]

참조

[1] 웹사이트 Habitable Zone Exoplanet LHS 1140b is Probably Snowball or Water World {{!}} Sci.News https://www.sci.news[...] 2024-07-10
[2] 웹사이트 Webb Telescope Reveals “Best Habitable Zone Exoplanet Currently Known," and It Could Be Home to Alien Life https://thedebrief.o[...] 2024-07-13
[3] 간행물 Prospects for Cryovolcanic Activity on Cold Ocean Planets 2023-10-04
[4] 간행물 Prospects for Cryovolcanic Activity on Cold Ocean Planets 2023-10-04
[5] 문서 https://www.cfa.harv[...]


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